基于模塊化技術(shù)理念下水下機器人的設(shè)計與發(fā)展

余爾標(biāo) 陳小薈

【摘 ?要】水下機器人作為第二代機器人，是仿生機器人的重要分支之一，其作用主要是用來水下勘探、作業(yè)以及輔助船只的正常行駛，隨著5G通信技術(shù)以及智能化的發(fā)展，水下機器人的協(xié)調(diào)性得到了極大的提高。為了擴大水下機器人在商業(yè)中的應(yīng)用以及理論知識的升值化，模塊化的設(shè)計技術(shù)理念開始出現(xiàn)，模塊技術(shù)的應(yīng)用將使水下機器人的應(yīng)用領(lǐng)域擴大，水下機器人的協(xié)作性得到提高。

【關(guān)鍵詞】模塊化技術(shù)理念;水下機器人;發(fā)展前景

一、水下機器人的設(shè)計與應(yīng)用

水下機器人又稱為無人遙控潛水器，從應(yīng)用的領(lǐng)域以及智能化程度來說有兩種使用方法，其一是跟隨母船且?guī)в欣|繩，船上的工作人員可根據(jù)數(shù)字化的設(shè)備對水下機器人進行遠程控制，其二是不依靠母船，可以自行航行和數(shù)據(jù)的采集。目前，我國可以進行水下機器人設(shè)計的單位較多，其中多集中于高校，在我國擁有實質(zhì)性進展的有哈爾濱工程大學(xué)研制的智能水下機器人AUV，中科院沈陽自動化所研制的無人無纜水下機器人UUV，上海交通大學(xué)研制的遙控式水下機器人ROV 和中船重工715 所研制的拖曳式水下機器人TUV。

隨著科技化的發(fā)展，5G通信系統(tǒng)的應(yīng)用使得水下機器人的遠程協(xié)作性得到極大的發(fā)展，

在未引入5G通信系統(tǒng)之時，如遇深海等惡劣環(huán)境下，水下機器人容易和陸地上的電子設(shè)備失去聯(lián)系，屆時導(dǎo)致的數(shù)據(jù)無法實時傳輸，以及無法定期維修成為了較大的難題，5G通信系統(tǒng)出現(xiàn)之后，水下機器人的遠程協(xié)作得到了極大的發(fā)展，并且可以實現(xiàn)機器人之間的協(xié)同作業(yè)，提高水下作業(yè)的效率。

從生物學(xué)角度來說，人類對于生存環(huán)境具有一定的要求，對于一些高風(fēng)險性的工作環(huán)境，比如海洋、氣象勘探來說，就需要機器人的參與。例如，中科院研究出一種仿生的機器魚，這種機器魚依靠尾鰭和波動鰭來進行推進，速度快，且能進行急轉(zhuǎn)彎運動，靈活性高。同時，哈爾濱工程大學(xué)曾為水下勘探研究出一種兩棲的機器人，這種兩棲的仿生機器人外形酷似螃蟹，且可以如同螃蟹一般進行運動，該仿生機器進行了特殊的防水處理，在頭部安裝了一個攝像頭，可以對眼前的場景進行實時拍攝同時依托于5G通信技術(shù)，對這些搜集的數(shù)據(jù)進行實時的傳回，從而方便后期的分析與研究。

中興通訊將在英國倫敦召開的2017年5G全球峰會上，演示過5G以及 VR水下航行器遠程控制業(yè)務(wù)。演示將模擬近海區(qū)域海底科考及維修等水下場景，通過VR實時視頻傳輸和遠程無線控制，展示水下科考和水下無人作業(yè)等5G時代的突破性應(yīng)用。

二、模塊化技術(shù)理念的應(yīng)用

1、功能模塊的分類

水下機器人起初用于科學(xué)上的研究，但是隨著工業(yè)的發(fā)展，水下機器人逐漸商業(yè)化，并且為了符合商業(yè)化的運作趨勢，逐漸演化出了一種模塊化的設(shè)計生產(chǎn)理念，所謂的模塊化的設(shè)計生產(chǎn)理念就是將水下機器人的生產(chǎn)進行分割，基于這種新型的生產(chǎn)方式，模塊化生產(chǎn)下各個模塊之間形成獨立，每個模塊均有自己的功能，客戶可根據(jù)自己的需求進行各個模塊的選擇，其二，模塊化生產(chǎn)具有統(tǒng)一化的生產(chǎn)方式，即生產(chǎn)出來的配件可以供多家使用和配備。其三，模塊化的生產(chǎn)可以進行自由的組裝，組裝后水下機器人可以完成自由化的數(shù)據(jù)勘測。

所謂的水下控制系統(tǒng)主要是服務(wù)于水下機器人的數(shù)據(jù)讀取，由處理器產(chǎn)生控制信號，在進行數(shù)據(jù)的合理搜集后，再對數(shù)據(jù)進行分析，從技術(shù)要求上，如果水下機器人的需求較高或者水下機器人的負荷率較大，則中央處理器的要求較大。從模塊化技術(shù)理念的功能上來講，主要分為通用性以及專用性，所謂的通用性是指為了適應(yīng)大部分水下機器人的組裝以及使用提供的部分常用的模塊，比如水下鏡頭，閥門等模塊，這些模塊在生產(chǎn)時主要考慮的問題就是廣泛的適配性，但是作為適配性的設(shè)備其生產(chǎn)的機構(gòu)主要集中于企業(yè)。所謂的專用性就是針對不同的用途而研發(fā)出來的水下機器人硬件，生產(chǎn)這些模塊的主要集中于科研院所，通過與客戶之間的溝通定制出特質(zhì)的部分，但是專用性的模塊并不等于一個完整的水下機器人都需要定制，專用性的模塊也是建立于通用性之上。

2、硬件的模塊設(shè)計

水下機器人的硬件模塊主要分為以下幾種類型，其一是AI、DI模塊，基于這兩種模塊，主要是對外部信息進行搜集，以用于海底勘探為作用的水下機器人來講，AI、DI模塊通過中央處理器對于控制系統(tǒng)命令的下達對機器人周邊的水溫、水壓、生物族群以及數(shù)量進行數(shù)據(jù)的搜集和監(jiān)測。其二是AO、DO模塊，這些模塊又稱為上位機模塊，這些模塊主要控制的是機器人的控制系統(tǒng)例如門閥。

三、基于模塊設(shè)計理念下水下機器人的發(fā)展

1、協(xié)同化發(fā)展

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，水下機器人在機身結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)出微型化，即傳感器、控制器，傳輸裝置實現(xiàn)了微型化，在其應(yīng)用的技術(shù)上呈現(xiàn)出不斷人性化、智能化的趨勢，模塊化的生產(chǎn)方式使得水下機器人的協(xié)作性得以提高同時在控制系統(tǒng)上，5G通信系統(tǒng)以及相關(guān)技術(shù)的使用使得水下機器人可以協(xié)同作業(yè)。

2、產(chǎn)業(yè)化、集群化發(fā)展

水下機器人由于具有抗壓性以及高適應(yīng)性從生理角度上較之人類更有優(yōu)越性，所以，模塊化的生產(chǎn)有利于水下機器人產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)，同時模塊化的生產(chǎn)可以對生產(chǎn)流程進行分類，一種水下機器人可以在多個機構(gòu)進行生產(chǎn)促進其集群化發(fā)展。

3、智能化發(fā)展

隨著模塊化生產(chǎn)的專業(yè)性增強，中央處理器等控制設(shè)備逐漸完善，對于高清的數(shù)據(jù)收集來說已經(jīng)并不是難事，未來的水下機器人將依托于VR以及智能化的芯片設(shè)計實現(xiàn)數(shù)據(jù)從手機到分析的一體化，節(jié)約科研的成本。

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（作者單位：福州市閩江學(xué)院物理與電子信息工程學(xué)院）